초록 ▼

1세부과제: 변환효율 10% 급 중온 열전발전모듈 핵심기술개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
o 중온 열전발전모듈 관련 기술개발 배경
- 높은 성능을 가진 새로운 열전소재(Skutterudite, Half-heusler, Sn-chalcogenide...)의 등장과 전세계적으로 막대한 폐열 에너지자원의 회수 필요성 부각으로 중온열전발전 기술의 관심 증가
- 기술적 완성도가 높은 저온영역의 열전모듈과는 달리 중온(300~ 800℃)영역 열전모듈의 기술개발 연구는 아직까지 미비한 수준이며 핵

1세부과제: 변환효율 10% 급 중온 열전발전모듈 핵심기술개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
o 중온 열전발전모듈 관련 기술개발 배경
- 높은 성능을 가진 새로운 열전소재(Skutterudite, Half-heusler, Sn-chalcogenide...)의 등장과 전세계적으로 막대한 폐열 에너지자원의 회수 필요성 부각으로 중온열전발전 기술의 관심 증가
- 기술적 완성도가 높은 저온영역의 열전모듈과는 달리 중온(300~ 800℃)영역 열전모듈의 기술개발 연구는 아직까지 미비한 수준이며 핵심 요소기술 개발을 통해 세계최초로 기술의 독창성 및 원천성 확보가능

o 중온열전발전모듈 기술개발의 필요성
1) 기술적 측면
- 2000년대 초반부터 개발되어 높은 효율을 보이고 있는 중온열전발전소재를 실제로 소자화 할수 있는 모듈 기술의 부족으로 모듈제작 기술개발 요청이 증가하고 있음
- Sn Chalcogenide 계열의 소재가 2014년 Nature지에 개제되어 세계최고성능의 ZT값을 나타내고 있음이 입증되었으며, 본 연구에서 실용화를 바탕에 둔 Polycrystalline 계열의 Sn Chalcogenide를 개발하여 세계 최초연구로 원천성이 명확함
2) 경제/산업적 측면
- 국내 여러 업체들이 열전발전모듈과 이를 활용한 시스템 개발에 적극적인 관심과 기술이전, 공동개발의 의지를 나타냄
- 세계시장규모예측조사(ENECO사 보고서)에 따르면 2019년 열전관련 기술의 시장규모는 세계적으로 16조원의 규모일 것이라 예측하고 있으며, 효율 높은 모듈개발이 이루어진다면 자동차, 선박, 인공위성 등 다양한 열전 시스템으로 응용할 수 있을 것이라 예상함

2세부과제: 팔라듐막을 이용한 0.5Nm³/h급 수소제조공정 핵심기술개발(II)
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
▶ 기술의 배경
• 셰일가스 개발로 천연가스를 이용한 에너지기술개발 필요성 대두
- 석유자원 부존 량의 감소로 매장량이 풍부하고 지역적으로 비교적 고른 매장분포를 가지는 천연가스 및 석탄을 이용한 청정에너지생산기술개발의 필요성이 강조되고 있음.
- 특히 천연가스는 최근 셰일가스 채굴법의 개발로 새로운 청정에너지원으로써 중요성이 강조되고 있으며, 채굴법을 보유한 미국이 중동국가들을 제치고 세계 최대 산유국으로 부상하고 있음.
- 그러나, 천연가스 또한 화석연료로 청정에너지원으로 활용하기 위해서는 지구온난화의 주범인 이산화탄소배출 문제 해결이 선행되어야 함.
• 천연가스를 이용한 청정에너지생산기술 개발의 필요성 대두
- 천연가스를 이용한 청정에너지생산기술은 수소생산과 동시에 이산화탄소를 대기에 방출하기 전에 포집하여 처리함으로써 완성할 수 있음. 또한 천연가스를 이용한 청정에너지생산기술에 있어 분리막 반응기를 사용할 경우 고순도 수소를 생산함과 동시에 이산화탄소를 분리 및 고압으로 포집할 수 있어 콤팩트한 공정구성이 가능할 뿐만 아니라 경제적인 운전이 가능함.
- 따라서 본 연구에서는 이러한 목적을 달성하기 위하여 [그림 1]에서 보는 것과 같이 고순도 수소 생산 및 이산화탄소 포집이 동시에 가능하고 효율이 우수한 분리막 개질기를 개발하고자 함.

▶ 기술 개발의 필요성
- 화석연료 기반의 천연가스, 석탄 및 바이오메스를 이용하여 수소를 제조하고 이를 이용하는 일련의 공정에서 합성가스제조공정이 차지하는 비중이 전체 공정비용에서 60-70%를 차지하는바 효율이 우수한 합성가스 제조공정 개발이 필요함.
- 현재 각 산업시설들에 현지에서 수소를 공급하기 위한 50-5,000 Nm³/h급 중소형 수소생산플랜트 개발이 활발히 진행 중이고, 이러한 플랜트에 적용되는 천연가스 개질방식이 액화수소 수송방식 및 수전해법과의 경쟁성을 확보하기 위하여 효율이 우수한 공정개발이 반드시 필요함.
- 기존 천연가스개질반응을 통한 수소생산 공정은 [그림 2]에서 보는 것과 같이 SMR(700-900℃)-HTS(300-450℃)-LTS(200-250℃)-PSA로 구성됨.
- 이와는 상이하게 반응과 동시에 수소를 분리할 수 있는 분리막 반응기를 사용할 경우 기존 700-900℃에서 운전하던 개질기 온도를 550-600℃로 낮출 수 있어 운전효율이 우수하고 개질기 온도가 낮아 중저온용 재질로 반응기를 구성할 수 있어 경제적인 반응기 구성이 가능함([그림 2]).
- 또한 반응과 동시에 고순도 수소생산 및 이산화탄소 포집이 가능하여 후단 수소정제공정 및 이산화탄소 포집공정을 배재할 수 있어 컴팩트하고 환경 친화적인 청정에너지생산기술임.

▶ 국내·외 기술개발 현황
▷ 국외 기술개발 현황
- 팔라듐을 비롯한 금속치밀 수소분리막 개발 연구는 미국, 유럽, 캐나다, 일본 등 선진국을 중심으로 진행하고 있으며 대부분의 기관에서 팔라듐계 치밀막 연구를 수행중임. 이 중 MRT 등 일부 기관에서의 포일막을 이용한 모듈구성을 제외하면 대부분은 튜브형 코팅막 개발이 주류임.
- 국외 수소정제기 관련 기업으로는 Johnson Metthey, Saes getters group, Japan Pionics, 아토, 테라텍 등이 있으며 이 중에서 팔라듐 분리막을 이용한 수소정제기 관련 세계적인 회사는 Johnson Metthey,Japan Pionics가 대표적임.
▷ 국내 기술개발 현황
- 국내에서는 팔라듐계 치밀분리막 개발 및 수소분리막을 이용한 메탄습윤개질 기술 개발 연구를 1990년대 말부터 2000년대 초까지 KIST, 화학연구원, SK에너지 등에서 진행한 바 있으나 상용화 공정은 전무함.

3세부과제: 플랙시블 에어로겔 블랑켓 기술 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
o 실리카 에어로겔은 90~99% 기공율을 갖는 나노 기공성 비정질 물질로서, 현재까지 인류가 개발한 소재 중에서 가장 뛰어난 초단열성/초다공성/초경량성/극저유전성 등의 특성을 갖고있어 건물용, 산업용, 우주항공용, 선박용 및 방산용 등의 단열재, 흡음재, 방화재 및 충격완화재 외에 환경 및 전기전자 분야에 무한한 응용 가능성을 가진 유망 소재임

o 에어로겔 블랑켓은 섬유상 웹인 폴리에스터, 유리섬유, 세라믹 섬유 등과 에어로겔을 복합화시켜 에어로겔 블랑켓을 제조함으로써 에어로겔의 낮은 기계적 강도와 성형 및 취급이 용이하지 않는 문제점 등을 해결할 뿐만 아니라 섬유상 쉬트형태로 만들어져 유연성이 있다는 장점이 있어 응용처의 제한이나 시공상의 애로사항 등을 해결할 수 있는 에어로겔 소재 응용기술임
※ 현재 개발된 에어로겔은 형태적으로 다음 그림과 같이 블랑켓(섬유상복합체), 분말, 모노리스 등이 있으며, 블랑켓은 Cabot Corp.사와 Aspen Aerogel Inc.사가 개발, 시판중에 있음

o 에어로겔 소재 기술 관련 선도기업인 미국 Aspen Aerogel Inc.사 및 Cabot Corp.사는 섬유상 웹에 에어로겔을 복합화시킨 에어로겔 블랑켓을 개발하여 시판중에 있으며 현재는 화학플랜트, 산업용 설비 및 배관, 해양프랜트, LNG선 등의 단열재, 흡음재 등에 적용이 증대되고 있고, 또한 산업용 적용시 경제성이 있는 것으로 보고되고 있음

o 국토교통부: 건축물의 단열두께 기준이 계속적으로 강화하였고(2012, 2013), 2017년에는 주택에너지의 80%을 절감하는『Passive House』정책이, 2025년까지 『Zero Energy House』의무화가 추진될 예정임
중부지역 외벽 단열두께: 50mm → 85mm(2012년) → 120mm(2013년) → >200mm(2017년)

o 2015년 12월 프랑스 파리 유엔 기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 역사적인 ‘파리 기후 협정’이 최종 타결되었고, 우리나라에서도 2030년 배출전망치(BAU) 대비 온실가스 배출량 37% 절감 목표를 발표한 바 있음. 그리고 2015년부터 온실가스 배출권 거래제가 시행되고 있어 건물 및 산업 부문에서의 단열을 통한 에너지 절감 및 온실가스 배출 억제의 중요성이 더욱 부각되고 있음

4세부과제: 분리막을 이용한 연소전 이산화탄소 포집 핵심 요소기술 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
고성능의 대면적 분리막과 컴팩트 모듈 개발로 기존 분리막 모듈 대비 75%의 부피를 줄일 수 있으며, 이러한 고성능 분리막 제조 및 모듈 기술은 CCS 공정뿐만 아니라 수소 분리/정제 공정에 활용 가능할 것이다. 본 연구에서 제시된 ‘thermal friendly KIER CCS 공정’은 향후 demo급 실증연구를 통하여, 세계 최고수준의 연소전 CCS 기술을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

5세부과제: 계산과학 기반 전극소재 한계극복기술 개발
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
○ 에너지 소재기술은 에너지효율 및 수명 등의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소기술이며, 최근 이러한 에너지소재의 한계를 극복하고자 하는 다양한 연구개발이 진행 중임
○ 기존의 연구개발은 대부분 실험 중심의 개발방법론을 기반으로 하며, 일반적으로 산언화를 위해서는 20년 이상의 개발 기간이 필요함
○ 이러한 소재기술의 한계극복 및 개발기간 단축을 위해, 분자(원자)수준의 소재 모델링, 분자동력학기반 시뮬레이션 등의 다양한 계산과학을 통합한 새로운 개발 방법론 확보 필요
○ 에기연 에너지소재의 대표적 전극소재(열전발전소자, 리튬이차전지, 연료전지)의 한계극복을 위해, 다양한 계산과학의 적용을 통해 에너지 소재분야의 새로운 한계극복 개발방법론을 제시함

○ 각 전극소재의 계산과학적용 배경 및 필요성은 아래와 같음

(1) 리튬이차전지전극소재
- 이차전지에 있어, 전극소재는 전지의 용량과 내구성을 결정하는 핵심 구성요소이며, 이러한 전극소재의 조성 및 구조제어에 대한 많은 연구개발이 진행되고 있음
- 최근 많은 연구개발이 진행 중인 리튬이온 이차전지의 경우, 새로운 음극소재개발을 통한 용량한계 극복에 대한 연구 개발이 진행 중이며 실리콘이 차 세대 전극소재로 인정됨에도 불구하고 부피팽창의 한계를 극복하지 못하고 있음
- 기존의 시행착오식의 연구개발이 아닌 계산과학 기반의 소재 설계를 통한 전극 부피팽창의 한계를 극복하여 기존 리튬이차전지의 한계를 극복할 필요가 있음

(2) 열전발전전극소재
- 열전소재의 성능은 높은 전기도도도와 낮은 열전도도를 필요로 함.
- 열전소재와 같은 반도체 물질의 열전도는 포논(phonon)의 영향이 지배적임.
- 분자동역학을 이용한 열전도도 계산 시도가 많아지고 있으나 방법론이 정립되지 않아 논문들 간에 보고가 상충하고 있음.
- 보다 정확한 결과를 산출하는 계산 방법론의 확립이 필요함.

(3) 연료전지전극소재
- 본 연구팀에서는 수년간의 경험을 통하여, 나노급 및 sub-나노급 하이브리드 촉매 입자의 합성기술을 확보하고 있으며, 이러한 기술을 바탕으로 촉매 분야 계산 과학 분야 세계 최고 수준인 스탠포드 대학과 협력하여 연료전지용 최적 촉매 모델을 제시하고자 함
- 연료전지용 전극 촉매의 금속 하이브리드 조성, 규모 및 결정 구조를 최적화함으로써, 백금 및 비백금계, 금속간 하이브리드 조성 변화, 입자 규모의 제어 연구에 소비되는 불필요한 에너지의 최소 가능

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 3목차 ... 5I 변환효율 10% 급 중온 열전발전모듈 핵심기술개발 ... 7 목차 ... 9 Ⅰ. 일반현황 ... 11 Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 12 Ⅲ. 추진 전략 ... 14 Ⅳ. 추진 실적 ... 17 Ⅴ. 향후 계획 ... 37Ⅱ 팔라듐막을 이용한 0.5Nm3/h급 수소제조공정 핵심기술 개발(II) ... 39 목차 ... 41 그림목차 ... 42 표목차 ... 44 Ⅰ. 일반현황 ... 45 Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 46 Ⅲ. 추진 전략 ... 48 Ⅳ. 추진 실적 ... 51 Ⅴ. 향후 계획 ... 82Ⅲ 플랙시블 에어로겔 블랑켓 기술 개발 ... 83 목차 ... 85 Ⅰ. 일반현황 ... 87 Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 88 Ⅲ. 추진 전략 ... 90 Ⅳ. 추진 실적 ... 92 Ⅴ. 향후 계획 ... 105Ⅳ 분리막을 이용한 연소전 이산화탄소 포집 핵심 요소기술 개발 ... 107 요 약 문 ... 109 목차 ... 110 그림목차 ... 112 표목차 ... 116 제 1 장 서 론 ... 117 제 2 장 연구개발 목표 및 내용 ... 127 제 3 장 기술개발 결과 ... 133 제 4 장 결론 및 활용계획 ... 182Ⅴ 계산과학 기반 전극소재 한계극복기술 개발 ... 187 목차 ... 189 Ⅰ. 일반현황 ... 191 Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 192 Ⅲ. 추진 전략 ... 194 Ⅳ. 추진 실적 ... 197 Ⅴ. 향후 계획 ... 208끝페이지 ... 209